- •1Воронеж 2014
- •Введение
- •Глава 1. Металлы Общие сведения о металлах
- •1.1. Классификация металлов
- •1.2. Физико-механические свойства металлов
- •1.3. Общие химические свойства металлов
- •1.4. Черные металлы
- •1.4.1. Железо, кобальт, никель
- •1.4.2. Хром, молибден, вольфрам
- •1.4.3. Марганец, технеций, рений
- •1.4.4. Ванадий, ниобий, тантал
- •1.5. Легкие металлы
- •1.5.1. Бериллий и магний
- •1.5.2. Алюминий
- •1.5.3. Титан
- •1.6. Цветные металлы
- •1.6.1. Медь, серебро, золото
- •1.6.2. Цинк и кадмий
- •1.6.3. Олово и свинец
- •1.7. Особенности эксплуатации металлов и сплавов в нефтегазовом комплексе
- •Глава 2. Полимерные материалы и пластмассы Общие сведения о полимерах и пластмассах
- •2.1. Классификация полимеров
- •2.2. Способы получения полимеров
- •2.3. Свойства полимеров
- •2.4. Применение полимеров
- •2.5. Полимеры и пластмассы в нефтегазовом комплексе и промышленной теплоэнергетике
- •2.5.1. Трубы из высокопрочных пластмасс
- •2.5.2. Металлические и пластмассовые покрытия для труб
- •2.6. Трубопроводы из резиновых технических материалов
- •2.7. Неметаллические трубы в нефтегазовом комп-лексе и промышленной теплоэнергетике
- •Глава 3. Композиционные материалы Определение композиционных материалов
- •3.1. Классификация композиционных материалов
- •3.2. Матричные материалы
- •3.3. Армирующие элементы
- •3.3.1. Металлические волокна
- •3.3.2. Стеклянные, кварцевые волокна
- •3.3.3. Углеродные волокна
- •3.3.4. Органические волокна
- •3.3.5. Керамические волокна
- •3.3.6. Нитевидные кристаллы (усы)
- •3.4. Углерод-углеродные, керамические и гибридные композиционные материалы
- •Углерод-углеродные композиционные материалы
- •3.4.2. Керамические композиционные материалы
- •3.4.3. Гибридные композиционные материалы
- •3.5. Применение композиционных материалов
- •3.5.1. Применение композитов в авиа- и ракетостроении
- •3.5.2. Применение композитов при изготовлении товаров массового потребления
- •3.5.3. Перспективы применения композиционных материалов
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •Глава 1. Металлы
- •Глава 2. Полимерные материалы
- •Глава 3. Композиционные материалы……………129
- •Конструкционные материалы в авторской редакции
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
Глава 2. Полимерные материалы и пластмассы Общие сведения о полимерах и пластмассах
Полимеры - высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Их молекулы построены из множества повторяющихся элементарных звеньев, образующихся в результате взаимодействия и соединения друг с другом одинаковых или разных простых молекул - мономеров. Вследствие большой молекулярной массы макромолекул полимеры приобретают некоторые специфические свойства. Поэтому они выделены в особую группу химических соединений.
Пластическими массами называют конструкционные материалы, полученные на основе полимеров, и обладающие способностью формироваться и в обычных условиях сохранять приданную им форму в виде готовых изделий. Кроме полимеров, в состав пластмасс входят наполнители, пластификаторы, стабилизаторы и другие добавки.
Наполнители вводят для улучшения физикомеханических свойств пластмасс, уменьшения их усадки и снижения их стоимости. В качестве наполнителей используют древесную муку, бумагу, хлопчатобумажную ткань, слюду, тальк, косолин, стекловолокно.
Пластификаторы придают пластмассе гибкость и эластичность, уменьшают жёсткость и хрупкость. В качестве пластификаторов используют дибутилфталат, стеарин, камфору, глицерин и др.
Стабилизаторы (противостарители, антиокислители, термостабилизаторы и др.) способствуют длительному сохранению пластмассами их свойств в условиях эксплуатации. Красители вводит в пластмассу с целью придания ей нужного цвета.
Полимеры и пластмассы на их основе являются ценными заменителями многих природных материалов (металлов, дерева, кожи, клеев и др.). Синтетические волокна успешно заменяют натуральные - шёлковые, шерстяные, хлопчатобумажные. При этом важно подчеркнуть, что по ряду свойств материалы на основе синтетических полимеров часто превосходят природные. Можно получать пластические массы, волокна и другие соединения с комплексом заданных технических свойств. Это позволяет решать многие задачи современной техники, которые не могли быть решены при использовании только природных материалов.
2.1. Классификация полимеров
Различают неорганические, органические и элементоорганические полимеры. Органические полимеры, в свою очередь, подразделяют на природные и синтетические.
Примерами природных полимеров могут служить крахмал и целлюлоза, построенные из элементарных звеньев, являющихся остатками моносахарида (глюкозы), а также белки, элементарные звенья которых представляют собой остатки аминокислот; сюда же относятся природные каучуки.
Всё большее значение приобретают синтетические высокомолекулярные соединения, как их иначе называют, синтетические высокополимеры.
2.2. Способы получения полимеров
К образованию высокомолекулярных соединений приводят следующие два процесса: реакция полимеризации и реакция поликонденсации. Реакция полимеризации - это процесс, в результате которого молекулы низкомолекулярного соединения (мономера) соединяются друг с другом при помощи ковалентных связей, образуя новое вещество (полимер), молекулярная масса которого в целое число раз больше, чем у мономера. Полимеризация характерна, главным образом, для соединений с кратными (двойными или тройными) связями. Реакция поликонденсации - это процесс образования полимера из низкомолекулярных групп, сопровождающийся выделением за счёт этих групп таких веществ как вода, аммиак, галогено- водород и др. Состав элементарного звена полимера в этом случае отличается от состава исходного вещества — мономера.
В качестве мономеров при полимеризации используются соединения с кратными связями: С = С, С = N, С = С, С = О,
С = С = 0, С = С = С, С = N, либо соединения с циклическими группами, способными разрываться, например:
В процессе полимеризации происходит разрыв кратных связей или раскрытие циклов у мономеров и возникновение химических связей между группами с образованием макромолекул,например:
По числу видов участвующих мономеров различают гомополимеризацию (один вид мономера) и сополимеризацию (два и более видов мономеров).
Полимеризация - самопроизвольный экзотермический процесс (∆G < О, ∆Н < 0), так как разрыв двойных связей ведёт к уменьшению энергии системы. Однако без внешних воздействий (инициаторов, катализаторов) полимеризация протекает обычно медленно. Полимеризация является цепной реакцией. В зависимости от характера активных частиц различают радикальную и ионную полимеризации.
При радикальной полимеризации процесс инициируется свободными радикалами. Реакция проходит через несколько стадий: а) инициирование; б) рост цепи; в) передача или обрыв цепи.
Инициирование - образование активных центров (радикалов и микрорадикалов) происходит в результате теплового, фотохимического, химического, радиационного или других видов воздействий. Первоначально образуется радикалы, например:
(С6Н5СОО)2 → 2СбН5СОО (R).
пероксид бензола
Затем образуются макрорадикалы, например, при полимеризации хлорвинила:
R + CH2 = CHC1 → RCH2-CHC1
RCH2 - СНС1 + СН2 = СНС → RCH2 - СНС1 - СН2 - СНС1 и т.д.
Рост цепи происходит за счёт присоединения к радикалам образующихся мономеров с получением новых радикалов. Передача цепи заключается в переносе активного центра на другую молекулу (мономер, полимер, молекулы растворителя):
R - ( - СН2 - СНС1 -)n - СН2 - СНС1 + СН2 = СНС1
→ R - (- СН2 - СНС1 -)n - СН2 - СН2С1 + СН = СНС1-.
В результате рост цепи прекращается, а молекула- передатчик, в данном случае молекула мономера, инициирует новую реакционную цепь.
В стадии обрыва цепи происходит взаимодействие радикалов с образованием валентнонасыщенных молекул:
R - (-СН2 - СНС1)n - СН2 - СНС1 + R - (- СН2 - СНС1 - )п - СН2
СНС1→ R - ( - СН2 - СНС1 -)n - СН2 - СНС1 -СН2 - СНС1 -(- СН2 - СНС1-)n -R.
Обрыв цепи также может произойти при образовании малоактивных радикалов, которые не способны инициировать реакцию. Такие вещества называют ингибиторами.
Радикальная полимеризация служит промышленным способом синтеза многих важных полимеров, таких как поливинилхлорид [-СН - СНС1 - ]n, поливинилацетат [ - СН2- СН(ОСОСНз) - ]n, полистирол [ - СН2 - СН( СбН5)-]n, полиакрилат [ - СН2 - С (CH3)n - COOR)- ]n, полиэтилен [ - СН2 - СН2 - ]n и т. д.
Ионная полимеризация также проходит через стадию образования активных центров, роста и обрыва цепи. Роль активных центров в этом случае играют анионы и катионы. Соответственно различают анионную и катионную полимеризацию. Инициаторами катионной полимеризации служат электроноакцепторные соединения, в этом числе протонные кислоты,, например, H2SC>4 и НС1, неорганические апротонные кислоты (SnCU, Т1СЛ4, А1С13 и др.), металлоорганические соединения А1(С2Н5)з и др. В качестве инициаторов анионной полимеризации используются электронодонорные вещества, в том числе щелочные и щелочноземельные металлы, алкоголяты щелочных металлов и др.
Рост цепи можно записать уравнениями реакции:
Мn+ + М → М+п+1 при катионной полимеризации и
Мn- + М → М-n +1 при анионной полимеризации. Рассмотрим в качестве примера катионную полимеризацию изобутилена с инициаторами А1С13 и Н2O. Последние образуют комплекс
А1С13 + Н20 ↔ Н+ [AIOHCI3]-.
Обозначив этот комплекс формулой Н+Х-, процесс инициирования полимеризации можно представить в виде
Возникающий комплексный катион вместе с противоио- ном X' образует макроион, который обеспечивает рост цепи:
П оликонденсация бифункциональных соединений получила
Поликонденсация бифункциональных соединений получила название линейной, например:
2NH2-(CH2)5-COOH → NH2-(CH2)5-CO-NH-(CH2)5- СООН + Н20; аминокапроновая кислота
NH2 - (СН2)5 - СО - NH - (СН2)5 -СООН + NH2 - (СН2)5 - СООН → NH2 - (СН2)5 - СО - NH - (СН2)5 - СО - NH - (СН2)5 - СООН + Н20 и т.д.
Конечным продуктом будет поли- s - капроамид (капрон).
[- СО - NH - (СН2)5 - ]n
Поликонденсация соединений с тремя или более функциональными группами называется трёхмерной. Примером её служит взаимодействие мочевины и формальдегида:
NH2-C0-NH2 + CH20 NH2 - СО - NH - СН2ОН;
NH2-C0-NH-CH20H+CH20 -> CH2OH-NH-CO~NH-CH2OH;
2СН2ОН - NH - СО - NH - СН2ОН -+
Н20 + СН2ОН - NH - СО - NH - СН2 - О - СН2 - NH - СО- NH
СН2ОН
На первом этапе синтезируется олигомер линейной структуры
[- СН2 - NH - СО - NH - СН2 - О -]п.
На втором этапе при нагревании в кислой среде происходит дальнейшая поликонденсация олигомера с выделением С Н20 и возникновением сетчатой структуры:
Такой полимер невозможно превратить в исходное состояние, он не обладает термопластичными свойствами и называется термореактивным полимером.
Поликонденсация протекает по ступенчатому механизму, при этом промежуточные продукты являются стабильными, т.е. рассматриваемый процесс может остановиться на любой стадии.
Методом поликонденсации получают четвёртую часть выпускаемых полимеров, например поликапроамид (капрон), полигексаметиленадипинамид (найлон)
[-NH(CH2)6NHCO(CH2)4CO -]n и др.